بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش یکی از مدهای احتراق دماپایین - احتراق اشتعال تراکمی کنترل واکنشی - به کمک ابزار شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی AVL-FIRE مورد تحلیل و بررسی عددی قرار میگیرد. در این شبیه سازی از سوخت دیزل به عنوان سوختی با واکنش پذیری بالا - پاشش مستقیم - و سوخت گاز طبیعی به عنوان سوختی با واکنش پذیری پایین - پاشش راهگاهی - ، استفاده میگردد. برای شبیه سازی فرایند احتراق از هندسه موتور دیزل - کاترپیلار - سنگین موجود در مرکز تحقیقات موتور دانشگاه ویسکانسین مدیسن آمریکا بهره گرفته شده است.
نتایج این شبیه سازی حاکی از آن است که با افزایش کسر جرمی سوخت دیزل - در حالی که انرژی کل ثابت است - ماکزییم فشار درون سیلندر و همچنین دمای بیشینه افزایش یافته و بازده حرارتی با توجه به این که آزادسازی انرژی در زاویه لنگ زودتری رخ میدهد و درصد بیشتری از انرژی آزاد شدهی حاصل از احتراق در مرحله تراکم رخ می دهد - تولید کار منفی - کاهش می یابد. همچنین نتیجه گیری شد که با کاهش کسرجرمی سوخت دیزل زمان بندی احتراق - شروع، اتمام و طول احتراق - روندی افزایش دارد. آلاینده های دوده ، NOx و CO با افزایش کسر جرمی دیزل افزایش و HC کاهش می یابد.
مقدمه
امروزه تمرکز بسیاری از تحقیقات کنونی بر روی تکنولوژی ها واستراتژی های جدید احتراق درون سیلندر به منظور کاهش اکسید های نیتروژن و دوده و افزایش بازده معطوف گردیده است.[1] یکی از استراتژیهای جدید احتراق دوسوختی که اخیرا توجه طیف گستردهای از محققان را به خود جلب کرده، احتراق اشتعال تراکمی کنترل واکنشی است.
این یک روش احتراق دما پایین همراه با گرمایش تراکمی مخلوط پیش-آمیخته سوخت و هوا در نسبت تراکم بالا است که احتراق به وسیله یک سوخت با واکنشپذیری بالا - مانند سوخت دیزل - در محفظه احتراق با یک برنامه زمانبندی، فشار و زاویه پاشش مشخص، شروع و به وسیله یک سوخت با واکنشپذیری پایین - مانند سوخت گازطبیعی - که از طریق راهگاه ورودی بصورت مخلوط با هوا - مخلوطی پیشآمیخته، همگن و فقیر - وارد محفظه احتراق میگردد، ادامه پیدا می کند[2] که در شکل نشان داده شده است.
این امر باعث جلوگیری از افزایش فشار ناگهانی و نرخ گرمای آزاد شده می شود که علاوه بر آسیب نزدن به سازه های موتور، باعث کاهش تلفات حرارتی و افزایش بازده موتور میگردد. علاوه بر این ویژگی مثبت احتراق دوسوختی اشتعال تراکمی کنترل واکنشی در کنترل نرخ گرمای آزاد شده، پاشش تدریجی سوخت دیزل نیز به صورت پیوسته می باشد که باعث ایجاد یک طبقه بندی و توزیع منطقی - از واکنش پذیری زیاد تا کم - در واکنش پذیری مخلوط سوخت ها شده است.
شکل :1شماتیک احتراق اشتعال تراکمی کنترل واکنشی
این گرادیان در عدد ستان مخلوط سوخت باعث می شود هنگام احتراق، شعله از نقطه با واکنش پذیری بالا - مرکز سیلندر با بیشترین پاشش دیزل - شروع و تا نقطه با واکنش پذیری کم - دیواره سیلندر با کمترین پاشش دیزل - ادامه پیدا کند. بنابراین در این مد احتراقی، زمان احتراق افزایش می یابد که خود مانع از افزایش ناگهانی و سریع نرخ افزایش فشار، میزان و نرخ گرمای آزاد شده می شود.
به همین دلیل این مد احتراقی حتی در بارهای زیاد، میتواند عملکرد مناسبی را بدست بدهد. با استفاده از درصد بیشتری از سوخت واکنش پذیر - دیزل - در بار کم و همچنین استفاده از سوخت واکنش پذیرکمتر در بار زیاد، از این مد احتراقی می توان در طیف گستردهای از نقاط عملکردی موتور استفاده کرد و خروجی مناسبی گرفت. با وجود توسعه طیف و محدوده بار در احتراق کنترل شده ی واکنشی و از بین بردن مشکل احتراق اشتعال تراکمی بار همگن1، احتراق کنترل شده ی واکنشی همچنان توانایی دست یابی به بار های خیلی زیاد در مقایسه با احتراق موتور بنزینی و دیزل تجاری در شرایط یکسان را ندارد. به همین دلیل و با توجه به حساسیت توقف تدریجی چنین احتراقی، این محصول هنوز به صورت تجاری وارد بازار فروش نشده است.
دیزل در مخلوط گاز طبیعی- هوا، محدوده وسیعی از واکنشپذیری به وجود میآورد که خود این امر موجب افزایش بیشتر زمان احتراق و تدریجی تر شدن آن میشود. بنابراین در چنین شرایطی میتوان به عملکرد مناسب موتور - مانند، کاهش نرخ افزایش فشار، کاهش پیک فشار و کاهش نرخ گرمای آزاد شده - حتی در بارهای خیلی بیشتر هم دسترسی پیدا کرد.
تحقیقات گذشته [6-4]در زمینه مدلسازی عددی احتراق دوسوختی دیزل- گاز طبیعی، به دلیل اختلاف وسیع در واکنشپذیری گاز طبیعی و دیزل و همچنین استراتژی و نحوه پاشش و اختلاط سوخت دیزل، با محدودیت ها و چالش هایی مواجه بوده است.
فارغ از بحث پاک تر بودن، تولید آلایندهی کمتر - خصوصا آلایندهی - PMو ارزانی، دسترسی بیشتر گاز طبیعی نسبت به سایر سوختهای فسیلی دیگر - دیزل، بنزین و..... - استفاده از این سوخت در احتراق RCCI در این چند سال اخیر به یکی از موضوعات مهم و مورد علاقهی پژوهشگران و متخصصین موتورهای احتراق داخلی در سراسر دنیا تبدیل گردیده است. بنابراین با توجه به این مطلب، تلاش هایی در راستای افزایش جایگزینی بیشتر سوخت گاز طبیعی بجای سوخت دیزل در احتراق RCCI دیزل-گاز طبیعی صورت گرفته است. اگرچه چالش بزرگ این است که استفادهی هرچه بیشتر از این سوخت به جای سوخت دیزل، در بارهای سبک و متوسط باعث کاهش بازده و تولید زیاد آلاینده های CO و THC - به خصوص آلاینده و گاز گلخانه ای - CH4 می گردد.
تحقیقات و بررسی های فراوانی برای احتراق اشتعال تراکمی کنترل واکنشی دیزل- بنزین در ادبیات فن موتورهای احتراق داخلی موجود است. ریتز و همکاران[1] نیز در مقالهی مروری خود که در سال 2014 منتشر نموده اند تقریبا به تمامی فعالیت های انجام شده ی عددی و تجربی در زمینه احتراق اشتعال تراکمی کنترل واکنشی با سوخت هایِ دیزل- بنزین، بایو دیزل- بنزین، دیزل- متانول پرداخته اند و تنها به یک مورد احتراق اشتعال تراکمی کنترل واکنشی دیزل-گاز طبیعی با بار سنگین اشاره شده است.
فیلیپ زولداک و همکاران[2] در یک مطالعه عددی روی احتراق اشتعال تراکمی کنترل واکنشی موتور دیزل سنگین 15 لیتری همراه با پاشش راهگاهی سوخت گاز طبیعی و پاشش مستقیم سوخت دیزل برای ایجاد یک توزیع منطقی بر اساس واکنشپذیری در محفظه، مشاهده کردند که بازده حرارتی موتور افزایش پیدا کرده و همچنین NOx و دوده تشکیل شده در سیلندر کاهش پیدا کرده است. نتایج آنها نشان دهنده این است که نسبت به احتراق دیزل با نسبت هوا به سوخت یکسان، در احتراق اشتعال تراکمی کنترل واکنشی همراه با EGR، بازده حرارتی 24 درصد افزایش، 17/5 NOx درصد و دوده 78 درصد کاهش خواهد یافت.
فرانک ویلمز و همکاران[9] به دلیل شروع اشتعال تراکمی خود به خودی سوخت دیزل با پاشش مستقیم و توزیع نسبت هم ارزی ،از مدل سینتیکی شیمیایی جزئی چندناحیهای برای کنترل هدفمند احتراق دوسوختی اشتعال تراکمی کنترل واکنشی استفاده کردند. آنها اذعان دارند که به دلیل استفاده از دو نوع سوخت گاز طبیعی و دیزل با خواص فیزیکی و شیمیایی مختلف،کنترل احتراق پیچیده و چالش برانگیز شده است. با توجه به اینکه تاکنون مطالعات کمی در رابطه با احتراق RCCI دیزل- گاز طبیعی صورت گرفته است در این مقاله سعی شده با انتخاب زیر مدل های مناسب برای شبیه سازی فرایندهای پاشش، تبخیر سوخت، انتقال حرارت ، آشفتگی، مکانیزم سینتیک شیمیایی مناسب و... فرایند احتراق با دقت قابل قبولی شبیهسازی گردد.
مدلسازی احتراق
امروزه نقش مطالعات عددی و شبیه سازی های دینامیک سیالات محاسباتی چند بعدی موتورهای احتراق داخلی برکسی پوشیده نیست. ابزارهای شبیه سازی فرایند احتراق موتورهای احتراق داخلی با صرف هزینه و زمان اندک و انعطاف پذیری بالا در بررسی راهبردهای مختلف احتراقی نقشی بسیار مهم در پیشرفت و توسعهی موتورهای احتراق داخلی ایفا کردهاند.
با استفاده از این ابزارها میتوان اطلاعات بسیار مفیدی از فرایندهای فیزیکی و شیمیایی رخداده درون محفظه احتراق به دست آورد. برای مثال با بررسی اطلاعاتی نظیر پاشش سوخت، تبخیر سوخت پاشش شده، چگونگی اختلاط سوخت و هوا، اشتعال، احتراق و درنهایت تولید آلاینده ها که توسط این ابزارها تولیدشده اند، میتوان موتورهایی کارآمدتر طراحی نمود.
در این مقاله برای شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی فرایند اسپری و احتراق درون موتور از نرمافزار AVL-FIRE استفاده گردیده است، در ادامه توضیحاتی مختصر در رابطه با زیرمدل های ورودی استفاده شده نرم افزار AVL-FIRE برای شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی، داده میشود.
همانطور که در چکیده بیان گردید برای مدل سازی دینامیک سیالات محاسباتی فرایند احتراق اشتعال تراکمی کنترل واکنشی از موتور دیزل سنگین واقع در مرکز تحقیقات موتور دانشگاه ویسکانسین مدیسن آمریکا استفاده شده است . در موتور دیزلی سنگین کاترپیلار نحوهی قرار گرفتن انژکتور و کاسهی پیستون در داخل سیلندر متقارن است. به همین دلیل برای کاهش هزینه محاسباتی ، شبیه سازی با در نظر گرفتن تنها یک بخش از فضای درون سیلندر حول یک سوراخ انژکتور انجام میشود. با توجه به 6 سوراخه بودن انژکتور، تنها یک قطاع 60 درجه مطابق با شکل برای محاسبات انتخاب میگردد.
شکل 1
شکل :2 قطاع 60 درجه شبکه بندی شده موتوردیزلی کاترپیلار
برای شبیه سازی فرایند احتراق و جریان سیال درون یک موتور، باید برخی پدیدهها از جمله اسپری، تبخیر قطرات، انتقال حرارت و... باید مدل سازی گردند. به دلیل بررسی جریان درون محفظه و فرایند احتراق، شبیه سازی به صورت سیکل بسته انجام میگیرد به گونهای که شبیهسازی از زمان بسته شدن سوپاپ ورودی1 تا زمان باز شدن سوپاپ خروجی2 صورت میپذیرد. به دلیل اینکه دو سوخت گاز طبیعی و دیزل ترکیبی از هیدروکربنهای گوناگون میباشند و نمی توان فرمول شیمیایی و مکانیزم واکنش آنها را به صورت دقیق استخراج کرد و حتی در صورت استخراج نیز بسیار پیچیده است، برای مدلسازی فرمول شیمیایی گاز طبیعی و دیزل به ترتیب از متان و نرمال هپتان استفاده میشود.
برای مدل سازی قطرات فرض میشود که هنگام پاشش سوخت، قطرههای پاشش شده بهصورت کروی و بهاندازه شعاع سوراخ نازل پاشش میشوند و سپس فروپاشی در آنها رخ میدهد. در این شبیه سازی برای پاشش قطرات از مدل KH-RT - شکل - 3 و برای برخورد قطرات از مدل 2ʼ5RXUNH استفاده گردیده است. برای محاسبه مشخصات فیزیکی مانند نقطهجوش، تبخیر، گرانروی و... از مشخصات فیزیکی متان و دیزل استفاده گردیده است. از آنجایی که واکنشهای مکانیزم شیمیایی مفصل ترکیب دو سوخت گاز طبیعی و نرمالهپتان بسیار زیاد است و استفاده از آن در کدهای دینامیک سیالات محاسباتی بسیار وقتگیر است، بهمنظور صرفهجویی در زمان محاسباتی، از مکانیزم کاهش یافته برای این دو سوخت استفاده شده است. همچنین با استفاده از مدل Amsden 2ʼ5RXUNH برخورد قطرات سوخت به دیواره شبیه سازی گردیدهاند.
شکل :3 مدل پاشش قطرات[10] KH-RT
یکی از قسمت های بسیار مهم شبیه سازی عددی، مدل سازی دقیق پدیدهی آشفتگی میباشد. از آنجایی که آشفتگی سهم بسزایی در مشخص کردن الگوی جریان دارد و تمامی پدیده های فیزیکی و شیمیایی رخ داده در احتراق متاثر از این پدیده هستند بنابراین انتخاب مدل آشفتگی مناسب، بسیار مهم بوده و در دقت نتایج حاصله تاثیر زیادی دارد. برای مثال یکی از عوامل مهمی که تأثیر زیادی روی پخش و تبخیر قطره های سوخت پاشیده شده در درون محفظه احتراق و همچنین احتراق مخلوط سوخت و هوا دارد، انرژی سینتیک توربولانسی است. علاوه بر مدلهای توربولانسی استاندارد شناختهشده مانند k-، اسپالارت-آلماراس، تنش رینولدز و ...، نرمافزار اخیرا توسعه و گسترش دادهشده است را پیشنهاد میدهد.
بنابراین به منظور مدل سازی توربولانس در داخل محفظه احتراق و انتقال حرارت توربولانسی کنار دیواره از مدل k- -f استفاده شده است.
صحه گذاری مدل سازی
در ابتدا به منظور صحهگذاری و حصول اطمینان از صحت مدل عددی ، نتیجه نمودار فشار برحسب زاویه لنگ با نتایج تجربی مورد قیاس قرار می-گیرد که مطابق با شکل 4، تطابق قابل قبولی بین نتیجه عددی و تجربی وجود دارد.
شکل :2 مقایسه نمودار فشار برحسب زاویه لنگ عددی با حالت تجربی برای شرایط عملکردی خاص
همچنین برای بررسی استقلال حل از شبکه بندی مطابق با شکل 5 برای سه شبکه بندی متوسط، ریز و درشت نمودار فشار بر حسب زاویه لنگ مورد قیاس قرار گرفت و با دقت قابل قبولی نتیجه گیری شد که نتایج مستقل از شبکه بندی بوده و با استفاده از شبکه بندی متوسط برای اینکه حجم محاسباتی کمتر شود و در عین حال نتایج دقت قابل قبولی داشته باشند، شبیه سازی صورت گرفت.
شکل :5 نمودار فشاردرون سیلندر برحسب زاویه لنگ برای سه شبکه محاسباتی با سایز ریز، متوسط و درشت
